[發明專利]非致冷紅外焦平面面陣靜態地平儀

無效

• 申請號: 200810042432.3
• 申請日: 2008-09-03
• 公開（公告）號: CN101393011A
• 公開（公告）日: 2009-03-25
• 發明（設計）人: 崔維鑫;韓開亮;呂銀環;崔文楠;袁志剛;劉學明;童廣輝;劉石神
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01C21/24;B64G3/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 郭 英

技術領域

本發明涉及空間科學儀器技術，具體指一種非致冷紅外焦平面面陣靜態地平儀，它用于對衛星姿態測量。

背景技術

早期的紅外地平儀是作為控制導彈的發動機點火和再入實驗用，于1959年2月，才首次在衛星上使用，成功測量了衛星繞地球飛行的姿態。紅外地平儀與其它敏感技術相比，簡單、可靠、且有較高的姿態測量精度，所以發展迅速。在以后的載人飛船，特別是對地定向的偵察、氣象、通訊、地資等人造衛星上廣泛使用。

紅外地平儀作用是計算衛星相對于地球的滾動角偏差θR和俯仰角偏差θP，從而測量衛星相對于地球局地垂線的滾動、俯仰姿態角信息。

地平儀按照工作方式可以分為動態掃描式和靜態兩種。

靜態地平儀的工作方式類似于人的眼睛，是典型的焦平面技術的應用。它將線陣探測器或面陣探測器放在光學系統焦平面上，通過對投影在焦平面上的地球紅外輻射圖像的響應來計算滾動角和俯仰角。根據使用的探測器不同，靜態地平儀分為線列陣靜態地平儀和面陣焦平面靜態地平儀。線列陣靜態地平儀一般采用3路以上分離式探頭，每個探頭內安裝有線列陣探測器分別探測各自方位的地平線。中科院上海技術物理研究所已將線列陣探測器應用在靜態地平儀上。但此類靜態地平儀由于參與姿態測量的地平點數量少，因此在測量精度上還不夠高，僅為0.6°。

發明內容

本發明的目的是采用凝視成像技術研制一種基于非致冷紅外焦平面探測器的衛星姿態敏感儀器，通過采用固體器件及三點法求圓心的姿態測量原理，解決傳統動態掃描式紅外地平儀壽命短、重量大、功耗大、精度低以及線列陣靜態地平儀精度低的問題。

本發明地平儀的系統構成：

本發明地平儀的系統主要由紅外光學系統3、濾光片2和探測器及前端電子學系統、后端DSP圖像信息處理系統1組成。大視場紅外光學系統3是一個視場角大于140°、工作波長13.5um～16.25um的折射式紅外成像鏡頭；濾光片2是波長13.5um～16.25um的帶通濾光片；探測器1是紅外面陣非致冷探測器，如波音(Boeing)公司的U3000系列和(ULIS)公司的IDML073-XX-V3探測器。前端電子學系統偏置電路為探測器提供高穩定度、低噪聲、可配置的偏置電源。前端電子系統根據外部輸入的配置參數產生探測器控制時序、探測器偏置電壓等控制信號，驅動探測器在一定工作模式下工作。同時，前端電子系統對探測器輸出的模擬信號放大、A/D轉換，最后合成數字圖像提供給后端DSP信息處理系統。后端圖像信息處理系統對地球輻射圖像的畸變和探測器非均勻性進行校正；校正后的圖像被送到后端DSP信息處理系統，DSP器件可選擇TI公司TMS320C6000系列器件，通過紅外圖像預處理、精確邊界定位、地平圓中心計算、姿態角計算等算法處理得到衛星相對于地球姿態信息。通過采用圖像處理技術對地平圓紅外輻射圖像進行實時處理，從而獲得衛星相對地球的滾動角、俯仰角信息。

本發明地平儀的工作原理如圖1所示，地平儀工作在高于600Km的極地軌道，采用紅外面陣非致冷探測器，對地球的13.5～16.25um輻射成像。由于地球的平均溫度為247K，而太空的平均溫度約為4.2K，所以地平儀看到的地球圖像為深冷的太空背景下一個“灼熱”的圓盤。紅外面陣探測器接收到輻射能量，并轉換為電信號，在外圍電路的控制下，紅外面陣探測器進行固體自掃描，把面陣中各像元輸出的電壓信號串行輸出，從而獲得地平輻射的能量圖像。紅外地平儀的后端DSP圖像信息處理系統對前端電子學系統獲得的紅外數字圖像進行處理，獲得地平圓的形心，形心的計算方法采用三點法定中心的算法，并通過光路幾何關系計算出地平儀相對地球的姿態數據。

本發明地平儀的衛星姿態測量原理如下：

衛星姿態不同，該圓盤在探測器的敏感面成像的位置也不同；另外由于地球表面0～100Km范圍內的CO₂濃度逐步減小，對應的輻射也相應減小，反映在圖像上是一個從內到外灰度值逐步減小的圓環，該圓環稱為“過渡帶”。地平儀后端DSP處理系統對探測器及前端電子學系統獲得的紅外數字圖像進行處理，提取地平圓邊界，它位于過渡帶內；通過地平圓邊界提取，采用三點法計算出地平圓中心點位置和衛星的姿態角。

紅外圖像中灰度突變的像素點被認為是地球邊界點，地平圓邊界提取采用比例門限的方法，即以圖像中地球區域灰度為基準，當灰度突降超過基準的40％～60％時，該點被確認為地球邊界點。

由于綜合考慮多種因素的地平圓圖像近似為一個圓形，所以在中心定位時選用弧線三點定位中心的方法。